Entwicklung einer Methode zum Nachweis der Einsetzbarkeit des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzens unter Berücksichtigung der Bauteileigenschaften
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Gerson Meschut, Dipl.-Ing. Michael Gerkens, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn
180 Seiten - 97,00 EUR (sw, 140 teils farbige Abb., 45 Tab.)
ISBN 978-3-86776-505-3
Zusammenfassung
In dem vorliegenden Projekt wurde eine Methode zum Nachweis der Einsetzbarkeit des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzens unter Berücksichtigung der Bauteileigenschaften entwickelt. Zum Einsatz kam primär das Simulationsprogramm LS-Dyna, begleitend wurden aber auch Analysen in Simufact.forming sowie SolidWorks Simulation durchgeführt. Als Versuchswerkstoffe wurden exemplarisch HC340LA 1,5 mm sowie EN AW-6060 T66 2,0 mm eingesetzt.
Die genannten Werkstoffe wurden hinsichtlich ihrer temperatur- und dehnratenabhängigen Eigenschaften charakterisiert und entsprechende Materialmodelle entwickelt. Dabei erwies sich die Werkstoffbeschreibung als besonders sensitiv. Für HC340LA wurden exemplarisch Schädigungsparameter für das Johnson-Cook-Modell ermittelt. Die 2D-Simulation mit adaptiver Neuvernetzung und ohne Schädigung erwies sich jedoch als vorteilhaft.
Weiterhin wurde der Setzbolzen sowie Anlagenkomponenten (z.B. Treiberkolben) geometrisch vermessen und detailliert in der Simulation berücksichtigt. Innerhalb des Projektes wurden primär zweidimensionale Setzprozess- sowie Tragfähigkeitssimulationen entwickelt.
Dabei wurden unterschiedliche Werkstoffkombinationen und Lagerungsbedingungen gebildet. Dreidimensionale Simulationen wurden zwecks der Analyse von Volumenverlust durch Schädigung durchgeführt. Anhand experimenteller Füge- und Tragfähigkeitsversuche konnte die Simulation erfolgreich validiert werden, sodass die Simulationen eine gute Prognosefähigkeit aufweisen.
Die Steifigkeitseigenschaften von Profilen und Matrizen wurden experimentell, simulativ und analytisch bestimmt. Aus den Detailsimulationen und den Steifigkeitsuntersuchungen konnte eine simulationsbasierte Auslegungsmethode zum Nachweis der Einsatzbarkeit des Bolzensetzens entwickelt werden, welche als Ersatzmodell die Bauteildeformation durch den Fügeprozess abbilden kann.
Mit Abschluss des Projektes stehen detaillierte Simulationsmodelle sowie zugehörige temperatur- und dehnratenabhängige Materialmodelle zur Verfügung.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Entwicklung einer Methode zum Nachweis der Einsetzbarkeit des Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzens unter Berücksichtigung der Bauteileigenschaften" wurde unter der Fördernummer AiF 17893N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 455 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
In the present project a method for the evidence of the applicability of high-speed joining was developed with consideration of the component characteristics. The LS-Dyna simulation program was used primarily, but analyses were also carried out in Simufact.forming and SolidWorks simulation. The test materials were HC340LA 1,5 mm and EN AW-6060 T66 2,0 mm.
The materials were characterized in terms of their temperature and strain rate dependency and corresponding material models were developed.
Thereby, the material description is particularly sensitive factor. For HC340LA, exemplary damage parameters were determined for the Johnson-Cook model. However, the 2D simulation with adaptive remeshing and without damage model proved to be advantageous.
Furthermore, the tack as well as components (e.g. driving piston) were geometrically measured and considered in detail in the simulation. Within the project, two-dimensional joining-process and pullout simulations were developed.
Different material combinations and support situations were formed thereby. Three-dimensional simulations were carried out for the purpose of the analysis of volume fracture by damage. The simulation was successfully validated on the basis of experimental tests, so that the simulations show good ability of prognosis.
The stiffness properties of profiles and dies were determined experimentally, simulatively and analytically. From the detailed simulations and the stiffness studies, a simulation-based design method could be developed to demonstrate the applicability of high-speed joining, which can represent the component deformation as equivalent model of the joining process.
With the completion of the project, detailed simulation models as well as temperature and strain rate-dependent material models are available.
The aim of the project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Forschung
2.1 Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen
2.2 Grundlagen der numerischen Simulation
2.3 Plastizitätsbeschreibung der Werkstoffe
2.3.1 Grundlagen
2.3.2 Spannungsmehrachsigkeit
2.3.3 Plastizitätsmodelle
2.3.4 Johnson-Cook Materialmodell
2.4 Schädigungsmodelle
3 Fügeteilwerkstoffe, Hilfsfügeteile und Fügeanlage
3.1 Fügeteilwerkstoffe
3.2 Hilfsfügeteile
3.3 Rivtac®-Anlage und Anlagenkomponenten
4 Verwendete Prüftechnik
4.1 Universalprüfmaschine Zwick Z100
4.2 Universalprüfmaschine Zwick Z1484
4.3 HG-Prüfmaschine Instron VHS 25/20
4.4 Lokale Messtechnik
5 Experimentelle Untersuchungen
5.1 Dehnraten- und temperaturabhängige Zugversuche
5.1.1 Versuchsplan
5.1.2 Probenfertigung
5.1.3 Quasistatische und Temperatur-Zugversuche
5.1.4 Dehnratenabhängige Zugversuche
5.1.5 Fließkurven-Extrapolation
5.2 Identifikation von Johnson-Cook-Parameter
5.2.1 Probenauswahl
5.2.2 Versuchsaufbau
5.2.3 Inverse Parameteridentifikation
5.2.4 Schädigungskurve in MAT224
5.3 Vergütete Rundzugproben des Bolzenwerkstoffes
5.4 Untersuchungen des Fügeprozesses
5.4.1 Untersuchungen an symmetrischer Fügestelle (Matrize)
5.4.2 Untersuchung an bauteilähnlichen Strukturen (Profil)
5.5 Tragfähigkeitsuntersuchung (Ausdrückversuche)
5.6 Experimentelle Steifigkeitsuntersuchungen
5.7 Analytische Berechnungsansätze
6 Numerische Simulationen in LS-Dyna
6.1 Materialmodelle
6.2 Kontakteinstellungen
6.3 Prozesssimulationen
6.3.1 Prozesssimulation weggesteuert
6.3.2 Prozesssimulation energiegesteuert (mit Kolben)
6.4 Tragfähigkeitssimulation (Ausdrücken)
6.5 Steifigkeitssimulationen (LS-Dyna und SolidWorks)
6.6 Sensitivitätsuntersuchungen
6.6.1 Prozessführung
6.6.2 Plastizitätsmodelle in MAT107
6.6.3 Schädigungsmodell vs. Neuvernetzung
6.6.4 Volumenverlust durch Schädigung
6.6.5 Diskretisierungsgrad
6.6.6 Variation des statischen Reibwertes
6.6.7 Plastizität des Bolzens
6.6.8 Thermische Effekte
7 Numerische Simulation in Simufact.forming
7.1 Modellaufbau
7.2 Fließkurvendefinition
7.3 Ergebnisse und Vergleich zu LS-Dyna
8 Auslegungsmethode zur Fügebarkeitsabschätzung
8.1 Simulationsbasierte Deformationsanalyse
8.2 Beurteilung der genutzten Software
9 Zusammenfassung und Ausblick
10 Literaturverzeichnis
11 Anhang
